挂舵臂铸造成形过程的计算机模拟_毕业设计论文.doc

i 挂舵臂铸造成形过程的计算机模拟 摘 要 介绍了铸造过程数值模拟技术的一些基本的原理和应用。采 用华铸 cae 软件对大型铸钢件挂舵臂的铸造成形过程温度场进行 模拟。选用了 solidworks 三维造型软件生成铸件以及冒口、浇 注系统、冒口套、冷铁等工艺参数的三维实体模型，并导出 stl 格式文件作为接口文件，然后用华铸软件进行模拟计算处理。模 拟结果作为改良挂舵臂铸造工艺的依据，在挂舵臂肋板热节处设 置冷铁来提高凝固速度，在冒口上加设保温冒口套来提高冒口的 金属液补缩能力。通过对凝固过程温度场的模拟分析，优化了原 始工艺。利用计算机模拟技术，判断铸造工艺的合理性，辅助完 成工艺优化的方法，能够彻底克服传统工艺设计方法的缺点，提 高设计质量，缩短试制周期，降低生产成本。 将模拟优化后的工艺用于华正机械公司的铸铁平板实际生产 中，结果表明：通过合理设置冒口、冷铁的位置和大小，合理选 择浇注系统及分型面，可以控制冶炼和热处理工艺，保证铸件符 合顺序凝固的原则，生产出组织致密、性能优良、各项指标达到 用户要求的优质挂舵臂铸件。 ii computer simulation for casting process of rudder arm abstract this article has introduced the principles and applications of numerical simulation of casting process. hua zhu cae been used to imitate the temperature field in the casting process of the large rudder arm in this experiment, solidworks, a three-dimensional modeling software, has been used to create the three-dimensional entity model of casting and riser, pour system, riser set, cold iron, etc and lead out files whose forms are stl as the interface files. and then intecast has been used to imitate the computing. the simulation result is used as the basic of improving the casting technology of the rudder horn. in order to enhance the speed of solidification, cold irons are set up in the rib hot spot of rudder arm. and to improve the contraction compensation capacity of molten metal of the riser head, the insulating riser sleeve has been set up. through the simulation analysis the original technology has been optimized. utilizing the computer modeling technique to judge the rationality of casting technology and to assist the optimization of casting technology can overcome the shortcoming of the traditional method on craft design completely. that can improve design quality and shorten production cycle as well as reduce the production cost. citic heavy machinery co. adopted the optimized iii technology in the actual production. the results shows that cast of rudder arm with compact texture, high quality and satisfying parameters can be produced by properly setting the position and size of riser and cold iron, properly choosing perfusion system and parting plane，controling smelting and heat treatment process and ensuring that the cast accord to the principle of sequential solidification. key words： rudder arm, hua zhu cae, shrinkage, process optimization 目 录 第一章 绪论 1 1.1 造船业的发展与挂舵臂铸件的介绍 .1 1.2 挂舵臂的传统铸造工艺 .3 1.2.1 挂舵臂成 型特点 .4 1.2.2 传统铸造工艺 .4 第二章 挂舵臂缩孔、缩松等缺陷的研究 7 2.1 缩孔、缩松产生的原因和过程 .7 2.2 挂舵臂生产中缩孔、缩松等缺陷的产生 .8 2.3 挂舵臂生产中缩孔、缩松缺陷的防止 .9 2.3.1 挂舵臂铸件中缩孔位置的确定 .9 2.3.2 挂舵臂铸件生产中缩孔的防止 11 iv 第三章 挂舵臂成形过程温度场数值模拟及工艺优化 .13 3.1 计算机技术在铸造生产中的应用 13 3.2 华铸 cae 的概述 14 3.3 华铸 cae 对挂舵臂铸造过程温度场的模拟 16 3.3.1 stl 文件的前置处理 .16 3.3.2 温度场的计算分析 17 3.3.3 模拟结果显示与分析 19 3.4 挂舵臂铸造工艺优化 20 第四章 挂舵臂铸钢件的实际生产 .23 结论 .27 参考文献 28 致谢. .30 毕业设计(论文) 1 第一章 绪 论 1.1 造船业的发展与挂舵臂铸件的介绍 中国造船业经过几代人的努力，取得了令世人瞩目的成就。 2006年中国造船产量达到1400万载重吨，占世界造船总产量的20%份 额，造船总量位居世界第三 1。中国船舶工业应以加入wto为契 机，抓住新的机遇，放眼世界，充分利用国内和国外两个资源、 两个市场，努力创新， “做大、做强”中国船舶工业。从世界造 船竞争格局的演变看，进入新世纪，世界造船业结构调整和产业 转移步伐加快，中国造船业正在迅速崛起，在世界造船业中的地 位日益突出。中国船舶工业已经进入实施跨越式发展的新时期， 呈现强劲的增长势头和巨大的发展潜力，中国船舶工业所具有的 综合比较优势，使中国最有希望成为下一个造船王国。 按照船舶系统“十一五”规划，加强船舶自主设计能力、船 用装备配套能力和大型造船设施建设，优化散货船、油轮、集装 箱船三大主力船型，如图1-1所示，重点发展高技术、高附加值 的新型船舶和海洋工程装备。这不仅仅是中国船舶制造工业的发 展，无疑也对中国整体高技术制造生产、高质量铸件生产提出更 高要求。据计算，每百万吨载重船需要船厂外协的铸锻件1万2 万吨。所以船用铸件，尤其是大型船用铸件的生产技术对造船业 的发展有着极大的影响。 毕业设计(论文) 2 散货船 20 万 吨油轮 集装箱船 图 1-1 三大主力船型 众所周知，船舶的航行除了前进的动力，还需要方向的确定 和转变，而舵就是船舶转变方向的设备，所以舵系是船舶航行最 主要的设备之一，直接关系到船舶航行的安全性能。舵系的设计 是一项比较复杂的工作，在外装区域设计中占有重要的地位，其 质量的好坏直接影响到整艘船舶下水节点和建造质量 2。作为本 研究对象的挂舵臂为船舶上重要部件之一(如图1-2)，其用途是 来承受舵转动时所使与的拉应力与压应力。挂舵臂与艉轴管安装 位置示意如图1-3所示，从而挂舵臂结构复杂、形状特殊、尺寸 精度要求高。另外，挂舵臂几乎所有面均设计为曲面，以使船舶 在航行中所受阻力小。 毕业设计(论文) 3 图1-2 挂舵臂 图 1-3 挂舵臂与艉轴管安装位置示意图 以上种种的使用要求和设计思想无不体现对高技术制造业尤 其对铸造业的迫切需求。挂舵臂铸钢件大都为小批量生产，铸件 重量大（单件重量80157t）耗用钢水材料多，进行反复试浇显 然是不合理的，而传统的铸造工艺往往只是凭借铸造工艺人员的 实际经验进行，常常需要反复试浇，进行超声波探伤和磁粉探伤 等鉴定和分析之后，才能得到一个合理、优化的铸造工艺方案。 本文正是探讨利用先进的计算机模拟技术（cae）对大型铸钢件 挂舵臂铸造成形过程的温度场进行模拟，预测缩孔、缩松缺陷， 进而对铸造工艺进行优化，改变传统的“试制”模式，以计算机 技术提高铸造业铸造技术水平，并为中国船舶工业的发展作出贡 献。 毕业设计(论文) 4 1.2 挂舵臂的传统铸造工艺 大型挂舵臂铸钢件是支撑、吊挂舵结构的关键件，挂舵臂的 性能和质量在船舶航运中起着非常重要的作用。生产中不但要保 证铸件的形体尺寸完美地符合图纸规定的流线型外表，以减小轮 船在大海中行驶的阻力。还要控制内部质量，保证挂舵臂在恶劣 的工作环境下满足使用要求，确保整个船只的安全航行。 本设计挂舵臂铸件材质为 ksc49,化学成分见表 1-1，其中残 余元素 cr、ni、mo、cu 总含量1%，外型轮廓尺寸为 762918605639mm,重量为 82t，结构形状复杂，铸件尺寸公差 要求较严格，铸造难度大，浇冒口处、圆角处、机加工表面和特 殊表面均要求超声探伤和着色探伤。为此应该对该铸件进行了仔 细的分析，制订合理可行的铸造工艺，以生产出合格的铸件。 表1-1 ksc49的化学成分（wt%） 残余元素（总量不 大于 1）材质 c si mn p s cr ni mo cu ksc4 9 0.18 0.23 0.40 0.60 0.89 0.92 0 .02 5 0 .01 0 .20 0 .50 0 .20 0 .30 1.2.1 挂舵臂成型特点 挂舵臂铸件的成形过程具有如下特点： 1. 由表1-1可看出，碳量在fe-c相图中位于包晶区，凝固特 性决定铸件易形成显微缩松，磁粉探伤后出现超标磁痕显示，特 别是加工后不易进行返修、焊补和回火处理 3。 2. 结构复杂、形状特殊，几乎所有面均为曲面，形状均为 流线型，每个断面尺寸均不相同，其特殊的结构特点为工艺编制、 造型、清理等工序均带来不便。 毕业设计(论文) 5 3. 挂舵臂质量要求高，形位公差要求极其严格，且要求磁 粉探伤和超声波探伤。而中间型腔芯子易漂浮，使铸件壁厚不均 匀。 4. 铸件尺寸大、重量大，最大重量达150t，钢液总量200t 以上，需要三包钢液合浇，给生产组织和质量管理增加了难度。 各船级社船都要求在船用铸钢件重要部位进行超声波探伤和 磁粉探伤，所以铸造工艺设计中必须采用针对性的技术措施有效 地预防各种铸造缺陷。 1.2.2 传统铸造工艺 挂舵臂铸钢件是船舶的必备部件，随着船舶工业的发展，各 工矿企业在挂舵臂的长期生产过程中不断探索，制定了传统的制 作工艺。 1. 浇注位置的选择 由于挂舵臂铸件体积大，尤其是两个曲面型侧面近似于两个 大平面，为避免曲面形侧面平躺时朝上的大平面产生夹砂结疤类 缺陷，把铸型实体从平躺状态翻转90，成为侧立状态，并以此 状态进行浇注。 2. 分型面的选择 分型面是两半铸型相互接触的表面。从挂舵臂铸件的体积、 结构考虑采用了立浇工艺，再综合考虑顺序凝固原则、分型面选 择原则以及挂舵臂侧立形态，最终选择四个分型面，五箱造型。 其中三个分型面分别在三层横浇道处，最上一层分型面在挂舵臂 舵轴孔下540mm处。 3. 浇注系统的选择 侧立状态的挂舵臂高度较大（5639mm）、曲面型侧面壁厚较 小（最小处100mm）而且曲面型侧面围成的“筒形”中还有两个 大肋板。采用顶注式，充型不平稳，易造成冲砂缺陷。采用底注 式，充型后金属的温度分布不利于顺序凝固和冒口补缩，高大薄 壁铸件易形成浇不到、冷隔。中间注入式适用于高度不大、中等 壁厚的铸件。而结构正确的阶梯式浇注系统，金属液首先由底层 毕业设计(论文) 6 内浇道充型，液面自下而上地、顺序地流经各层内浇道，充型平 稳，型腔内气体排出顺利 4。充型后，上部金属温度高于下部， 有利于顺序凝固和冒口补缩，铸件组织致密。利用多内浇道，还 可减轻内浇道附近的局部过热现象。故经过分析各浇注系统优缺 点及分型面的选择位置，采用三层阶梯浇道。如图1-4所示，其 具体尺寸如下：采用4道140mm直浇口，分别布置在大、小端头 的两端；横浇口采用120140mm过渡，长向上将直浇口接通， 横向上仅需将底层直浇口接通，内浇口三层，每侧均布6道 100mm，上层在分型面下300mm处，下层平行于底部轮廓高出约 100mm。 图 1-4 浇注系统（绿色） 4. 冒口的设置 挂舵臂铸件热节部位主要在两个加工轴孔及筒体与侧向伸出 部分交接处（脊梁处） ，具体的预测过程将在下章进行说明。热 节圆能反映出铸件冷却快慢，热节圆愈大，冷却愈慢，热节圆愈 小，冷却愈快。根据热节大小及补缩距离计算设置冒口，如图 1- 5 所示，具体尺寸如下：在大头舵轴孔上处设置 1900mm 明冒 口，浇高为 1600mm；在小头轴孔处设置 1900mm 的明冒口， 毕业设计(论文) 7 浇高为 1920mm；脊梁处冒口，沿筒体长度方向，以大头舵轴内表 面为基准，设置四排暗冒口，其间距分别为： 940mm、1250mm、1100mm、1910mm，大小分别为 2400mm、2400mm、2500mm、2500mm，400mm 和 500mm 的浇高分别为：310mm 和 440mm。900mm 的明冒口用 厚度为 110mm 的保温冒口套，400mm 和 500mm 的暗冒口保温 套厚度分别为 65mm 和 70mm。 图 1-5 挂舵臂冒口设置 5. 挂舵臂工艺模型 由于挂舵臂铸件结构复杂、形状特殊，几乎所有面均为曲面， 且每个断面尺寸均不相同，传统的手工绘制或着简单的二维造型 不能满足要求。利用三维造型软件 solidworks 将初始工艺图转 化为三维图，形成工艺模型如图 1-6 所示。 毕业设计(论文) 8 图 1-6 工艺模型 毕业设计(论文) 9 第二章 挂舵臂缩孔、缩松等缺陷的研究 挂舵臂的成形过程是将液态金属在重力或外力作用下充填到 型腔中，待其凝固冷却后，获得所需形状和尺寸的零件的方法， 即金属液态成型（铸造） 。液态金属浇入铸型后，铸型的吸热， 金属温度下降，空穴数量减小，原子间距缩短，液态金属的体积 减小产生液态收缩 5。温度继续下降，液态金属凝固，发生由液 态到固态的状态变化，原子间距进一步缩短，进行凝固收缩。金 属凝固完毕之后，在固态继续冷却时，原子间距还要缩短，产生 固态收缩。而在凝固过程中所产生的收缩是铸件中许多缺陷如缩 孔、缩松、应力、变形和裂纹等产生的基本原因。所以挂舵臂的 生产过程中很可能会产生缩孔、缩松、裂纹、应力和变形缺陷。 本章重点研究缩孔和缩松缺陷的产生与防止。 2.1 缩孔、缩松产生的原因和过程 在铸件最后凝固的部位，液态收缩和凝固收缩所缩减的体积 得不到补足，则在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。集中在 铸件上部或最后凝固部位、容积较大的孔洞称为缩孔，缩孔多呈 倒圆锥形，内表面粗糙 6。分散在铸件某些区域内的细小缩孔称 为缩松。 缩孔的形成主要出现在恒温或温度范围很窄的结晶金属，铸 件壁呈逐层凝固方式的条件下。缩孔容积较大，多集中在铸件上 部和最后凝固的部位。如图 2-1 为圆柱体铸件缩孔形成过程。 图 2-1 缩孔形成过程 毕业设计(论文) 10 缩松形成的基本原因和缩松一样，是由于合金的液态收缩和 凝固收缩大于固态收缩。但是形成缩松的基本条件的结晶温度范 围较宽。结晶温度范围较宽，液态金属的过冷度小，容易发展成 为树枝发达的等轴晶，倾向于糊状凝固方式 7。在糊状凝固方式 的合金中或断面较大的、以糊状凝固的铸件壁中，枝晶长到一定 程度使熔融金属被分离成彼此孤立的状态，它们继续凝固时也将 产生收缩，这时铸件中心虽有液体存在，但由于树枝晶的阻碍使 之无法补缩。所以在凝固后形成许多微小的孔洞，缩松形成过程 如图 2-2 所示。缩松大多分布在铸件中心轴线处、热节处、冒口 根部、内浇口附近或缩孔下方。 图 2-2 缩松形成过程 2.2 挂舵臂生产中缩孔、缩松等缺陷的产生 挂舵臂用于大型远洋船舶使得挂舵臂铸钢件内若存在微量的 缩松、缩孔、裂纹、夹杂等缺陷都可能对船舶的运行带来巨大的 危险，所以挂舵臂铸件不但重量大，内部质量要求还很高。下文 就对挂舵臂生产过程中所形成的缩孔、缩松缺陷进行分析。 铸件在凝固过程中，除纯金属和共晶成分合金外，断面上一 般存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区（如图2-3） 。铸件 的质量与凝固区域有密切关系。碳钢结晶过程有一定结晶间隔， 所以结晶过程不可避免存在固相和液相同时并存区域，这一区域 毕业设计(论文) 11 称为“凝固区域” 。凝固区域范围越大，就愈易形成等轴晶，未 凝固液体被隔离开来，补缩就愈不易。这种情况下，铸件容易形 成缩松（分散性缩孔） 。相反，这个区域越小，愈易形成柱状晶， 铸件容易形成缩孔，此时铸件易补缩，质地致密。 图2-3 凝固区域结构 挂舵臂材质为ksc49钢，其碳的质量分数为0.18%0.23%，属 低碳钢。低碳钢结晶温度范围窄，在凝固过程中铸件断面上的凝 固区域很窄，以与纯金属相似的逐层凝固方式进行凝固。凝固时， 其前沿直接与液体金属接触，当凝固发生体积收缩时，可以不断 地得到液体的补充，所以产生分散性缩松的倾向小，而是在铸件 最后凝固的区域留下集中缩孔。因此，通常认为低碳钢补缩性能 好。 2.3 挂舵臂生产中缩孔、缩松缺陷的防止 钢液随着温度的降低，将要发生液态收缩和凝固收缩，这是 钢固有的性质。这一性质是客观存在不能改变的。缩孔总是在铸 钢件热节的部位出现，而对热节进行补缩是唯一的方法。所以准 毕业设计(论文) 12 确的预测缩孔的位置，采取适当的工艺措施补足铸件外形收缩， 补充钢液体积减小，弥合缩孔缺陷，得到合乎质量要求的铸件。 2.3.1 挂舵臂铸件中缩孔位置的确定 一般认为缩孔形成在金属长期处于液体状态的地方，即在被 称为“热节”处。形状简单的铸钢件，如球形、圆柱形，根据形 状可大致判断缩孔出现的位置。形状复杂的铸钢件必须根据铸件 各部分壁厚情况进行分析。有时一个铸件分成几个 区域同时凝固，缩孔位置呈分散状态；有时一个铸件结构恰好形 成顺序凝固，缩孔位置则集中在最后凝固处。在生产实践中，近 似地求集中缩孔位置的常用方法是用“结晶等温线法”和“内切 圆法” （如图2-4） 。 “结晶等温线法”一般用于形状较为简单的铸钢件。在铸件 断面上自冷却表面开始，相应于结晶温度的状况画出与铸件传热 方向相垂直的等温线。在同一等温线上各点同时达到碳钢的固相 线温度，划分到在最狭小的断面上相接触为止 8。此时，等温线 不相毗连的地方就会有缩孔出现。 图2-4 缩孔位置的确定 近似地求集中缩孔位置的另一种方法是“内切圆法” 。所谓 “内切圆” ，即在铸件上“热节”处所能画出的最大内切球体， 通常称为“热节圆” 。计算热节圆有两种方法。第一种方法需先 在图纸上用11比例画出铸件热节处的形状，然后再画出的内切 圆即是热节圆。此法应用较普遍。第二种方法是公式法，用于计 毕业设计(论文) 13 算形状规则的热节处，例如铸件中的“t”字形筋， “+”字形筋 的热节圆。内切圆直径大于铸件壁厚的部位凝固较晚，叫做铸件 的“热节点” 。 “热节点”由于较厚大，冷却速度小于相邻的铸件 壁。 “热节点”凝固时如果得不到钢液的补缩，就会在该处形成 缩孔。 接下来，结合“内切圆法”的原理和挂舵臂铸件的结构来确 定挂舵臂的热节，进而预测缩孔缺陷。由挂舵臂铸件结构可知， 大舵轴孔（图2-5 a)） 、小舵轴孔（图2-5 b)）与脊梁处（图2-5 c)）存在较大热节。流线型侧曲面的厚度均匀，无厚大热节，可 顺序凝固，不易产生缩孔、缩松缺陷。而筋板的根部（图2-5 d)） 相对于厚度均匀的侧曲面为热节部位，不易进行顺序凝固，热节 处不能得到补缩而形成缩松，影响挂舵臂质量 9。在生产实际中， 挂舵臂的热节确实出现在厚大的壁、厚大的壁和舵轴孔的联接处 和筋板的根部。 a) 大舵轴孔处 b) 小舵轴孔处 毕业设计(论文) 14 c) 脊梁处 d) 肋板处 图2-5 挂舵臂热节处 2.3.2 挂舵臂铸件生产中缩孔的防止 凝固区域的存在是产生缩孔的根本原因，而凝固区域宽度是 影响缩孔分布的重要原因。挂舵臂铸件的材质为低碳钢，低碳钢 结晶温度范围窄，在凝固过程中铸件断面上的凝固区域很窄，以 逐层凝固方式进行凝固，易产生集中性缩孔。工艺上容易对集中 缩孔缺陷进行补缩。在实际的生产当中防止铸件中产生集中缩孔 的工艺措施主要有以下两种： 1. 以直接补注法消除缩孔 消除缩孔的理想情况是在浇注过程中边浇边凝固，使所有的 液态的和凝固期的体积收缩全部在浇注过程中得到补偿。此法常 用于钢锭的铸造中，而在成形铸造时很少使用。只有在铸件形状 简单、具有敞露的、不凝固的表面，通过这表面可以进行补缩时 才有可能实现。 2. 用冒口补缩铸钢件 所谓“冒口”是铸件上附加的突出部分，它装置在铸件上， 以使钢液能有此流入铸件补充内部收缩。显然冒口是一附加的容 积。补缩过程是钢液由自身的重量或由附加的压力不断流到正在 结晶的部分中去，一直到由该“冒口”补缩的部分完全凝固为止。 用冒口补缩铸件克服了直接补注法的缺点，几乎不论铸件的形状 如何，都可以在需要的地方装置冒口对铸件进行补缩。但要注意 的是，冒口中的钢液也要结晶，因此使其中一部分金属不能利用， 所以冒口的实际尺寸远大于铸件中被补缩的缩孔尺寸，此外冒口 中不能利用的凝固金属还要从铸钢件上割除。所有这些均造成非 生产性消耗，从两方面来看，正确地装置冒口及确定其实际需要 的尺寸在生产中具有非常重要的意义。 毕业设计(论文) 15 第三章 挂舵臂成形过程温度场数值模拟及工艺优化 3.1 计算机技术在铸造生产中的应用 众所周知材料液态成形铸造，就是将熔融的液态金属注入 模型，在模型中凝固、冷却、成形，从而得到特定结构（形状） 的产品。中国是铸造古国，有着几千年的辉煌历史。但在这几千 年历史的绝大部分时间内，铸造是一种技艺，凭借的是经验，方 式是手工， “睁眼造型，闭眼浇注”就是这一状况的生动写照。 随着计算机技术的飞速发展及在材料加工中的广泛应用，计算机 也完全变革了有着悠久历史的铸造领域，计算机辅助设计造型 （cad） 、计算机辅助分析（cae） 、计算机辅助制造（cam）与其 他先进技术在铸造领域得到了广泛的应用，并已成为铸造学科的 技术前沿和最为活跃的研究领域。 传统的液态成型工艺的设计都是基于人工的、经验的，利用 红蓝铅笔直接在图纸上画出铸造工艺。而利用 cad 进行工艺设计 不仅甩掉红蓝铅笔，而且能够完成工艺基本要素的设计与绘制 （造型）任务。随着三维造型理论和实用技术的日趋成熟，基于 三维的铸造工艺 cad 系统具有几何信息的完整，易于与铸造工艺 cae 系统、铸造工装 cad/cam 系统衔接，可实现数据共享，设计 结果直观，可方便地生成二维工程图样等。目前常见的、成熟的、 商品化的三维 cad 造型平台有 pro/e、ug、solidworks、solidedge 等。 液态成型 cae 技术主要包括充型流动过程模拟、结晶凝固过 程模拟、应力/应变分析、微观组织模拟等。众所周知，铸造是 一个过程复杂、影响因素多、废品率高的成形方式。但是铸造过 程模拟技术（cae）与 cad 技术相结合完全改变了传统模式。设 计者先在三维 cad 平台上设计出一个铸造工艺方案，然后利用 cae 进行模拟分析，预测缺陷，发现问题，再根据 cae 的模拟结 果在 cad 上对方案进行修改，再进行 cae 分析，如此往复直到得 毕业设计(论文) 16 到满意的工艺设计方案，根据优化后的方案组织实际生产。国内 外商品化数值模拟软件 10的简介见表 3-1 所示。 计算机辅助制造技术（cam）在铸造上的应用主要是在工装 领域，包括铸造模具、模板等。随着技术的进步，目前绝大部分 铸造模具、模板的制造都采用了 cam 技术，由数控机床完成，并且大都实现了 cad/cam 一体化。 这些先进设 计、技术大大推动了铸造行业的技术进步，缩短了新产品的开发 周期，大幅度降低了废品率，提高了铸造企业的竞争力。 表 3-1 国内外商品化数值模拟软件的 简介 （t 为砂型铸造，f 为低压铸造，s 为金属 型铸造） 系统名称 国别 模拟方 法 功能模块 应用范围 magma 德国 fdm 造型，流动，应力， 凝固，微观，cad 接口 各种铸造， t，f，s procast 美国 fem 造型，凝固，流动， 应力，微观，cad 接口 各种铸造， t，f，s novacast 瑞典 fdm 流动，凝固 各种铸造， t，f casttech 芬兰 fdm 造型，凝固，流动， 微观，cad 接口 各种铸造， t castem 日本 fdm 流动，凝固，cad 接口 各种铸造， t，s 华铸 cae 中国 fdm 流动，应力，凝固， 微观，cad 接口 多种铸造， t，f 毕业设计(论文) 17 simulor 法国 fdm 流动，凝固，cad 接口 多种铸造， t，f 3.2 华铸 cae 的概述 华铸cae/intecast铸造工艺分析系统以铸件充型过程、凝固 过程数值模拟技术为核心对铸件进行铸造工艺分析，一般包括前 置处理模块、计算分析模块以及后置处理模块。前置处理模块包 括对铸件、砂芯、铸型等的三维造型和网格剖分，计算分析模块 是对铸件、铸型的各物理场进行求解，后置处理模块是把计算结 果以曲线、图形、图像以及动画等表达方式直观有效地表达出来。 最后根据模拟分析的结果判断工艺的优劣，如果工艺不可行，则 改进工艺重新进行模拟分析直至获得一个比较满意的结果，这样 就实现了在计算机虚拟环境下优化工艺的目的。 前处理模块包含造型及网格剖分两大部分。现阶段铸造cae 软件的前处理模块一般先借助于通用的三维造型软件如 pro/e、ug、solidworks、cad等进行三维造型，然后采用通用的 stl文件格式接口进行衔接，然后进行网格剖分。网格自动剖分 是基于有限差分均匀正交网格的剖分，实际上使用尺寸相同的小 立方体去近似被剖分的实体，近似程度与实体的复杂程度和小立 方体的数量有关。 计算分析模块是对前处理模块剖分所得的离散模型进行各物 理场模拟分析。计算分析模块一般包括如下步骤：首先要将数学 模型进行离散，求出前处理模块所得到的离散模型所对应的离散 格式；然后设置对应的初始条件和边界条件；最后进行求解并保 存各物理场的分布情况 12。此外计算分析模块是将液态金属充型 凝固过程看作是不可压缩粘性流体的流动来进行多物理场的分析， 它可以由动量方程、连续性方程、能量方程以及体积函数来描述。 动量方程为： 毕业设计(论文) 18 ）（）（ 22x zuyxzuwyvxu1gtu p）（）（ 22y vtv ）（）（ 22s zwyxzyvxuz1gtw p 连续性方程为： 0w 能量方程为： qttt ）（）（）（）（ zyxzyvxutcp 体积函数为： 0zwyvut ff 式中 u、v、w 分别为网格点(x,y,z)流速在三个坐标轴方向上的 速度矢量分量；g x、g y、g z分别为重力加速度在三个坐标轴方向 上的分量； 为流体的密度； 为流体的运动粘度；t 为时间； f 为体积函数； 为比热；t 为温度； 为导热系数；q 为源项pc 13。 华铸 cae 后处理软件是将凝固过程中铸件温度场和流动场等 繁杂数据，通过直观逼真的可视化、动画化的图形图像工具，即 显示表达模块，使用户能直接观察到计算和仿真的结果。后处理 模块表达的内容主要包括：铸件几何形状、铸型工艺结构、铸件 铸型浇注凝固过程色温变化、铸件温度梯度分布、铸件凝固过程 液相分布及相变细节、铸件浇注过程体积填充情况、铸件浇注过 程速度场、压力场的分布、变化、凝固时间次序等。 3.3 华铸 cae 对挂舵臂铸造过程温度场的模拟 铸造凝固过程数值模拟的最终目的是解决铸造工艺优化设计， 实现铸件质量预测和控制，其中缩孔、缩松预测是一个重要内容。 温度场是判断铸件缩孔、缩松的基础，它在铸件凝固过程中起着 决定性作用。接下来利用华铸 cae 对挂舵臂铸造过程温度场进行 毕业设计(论文) 19 模拟，预测其缩孔、缩松，实现工艺优化。图 3-1 为温度场计算 分析流程图。 图 3-1 温度场计算分析流程图 3.3.1 stl文件的前置处理 前处理模块包含造型和网格剖分两大部分。华铸 cae 不具有 三维造型能力，利用 solidworks 三维造型软件生成铸件以及冒 口、浇注系统、冒口套、冷铁等工艺参数的三维实体模型，并导 出 stl 格式文件作为接口文件，输入的 stl 文件有：铸件、铸型、 冒口、冒口套、冷铁、浇注系统等。 华铸 cae 前处理模块提供“优先级别”功能，这样可以大大 减少三维造型的工作量。设置挂舵臂铸件、冒口、冒口套、冷铁、 浇注系统的优先级高于铸型，造型时保证工艺装配模型有足够吃 砂量的情况下生成一个六面体铸型，在前处理模块“优先级别” 功能下，装配后的铸件部分被自动从铸型中“挖空” ，进而产生 毕业设计(论文) 20 有型腔的铸型，节约了造型时间。 华铸 cae 采用的是直六面体网格，正常情况下，一个铸件网 格与周围的铸件网格至少有一个面相接触。为避免出现大量完全 线接触网格，挂舵臂铸件最薄处为 56mm，取网格大小 28mm，网 格剖分结果如图 3-2 所示。 图 3-2 网格剖分 3.3.2 温度场的计算分析 液态金属浇入铸型后，其温度不断下降，铸型受热温度上升， 热量从一部分传送到另一部分。实践证明，从浇注充填到凝固冷 却，铸件铸型系统的传热过程是通过高温金属的辐射换热、液体 金属与铸型的对流换热（包括铸型表面与大气的对流换热） 、金 属向铸型导热等三种方式综合进行的。铸件凝固过程数值模拟计 算依据的基本数学模型是不稳定导热偏微分方程 14。方程式如下： ztyxtc 式中， 表示金属液密度； 为比热容； 为时间。温度场计算p 分析模块先要进行初始条件和边界条件的设置，在此基础上对前 处理所得差分网格系统进行温度场分析。 1. 温度场的初始化 初始条件是指 0 时刻的温度分布，华铸 cae 纯凝固计算只考 毕业设计(论文) 21 虑凝固过程温度场的计算，而不考虑充型的影响，基于“瞬间充 型，初温均布”假设。温度场初始化物性参数设置如表 3-2 所示， 温度场基础参数为：铸件材质 ksc49，潜热 260.4j/g，环境温度 为 25，液相线温度 1509，固相线温度 1461，合金凝固系 数 1.3，辐射系数 0.375，粘度 0.06cm2/s15。 表 3-2 温度场初始化物性参数 物性参数 铸件 铸型 冒口套 空气 密度(g.cm -3) 7.6 1.55 0.8 0.0012 热容(j.g -1. -1) 3.493 1.092 0.63 1.008 导热系数（j.cm - 1.s-1. -1) 0.223 0.008 0.0034 0.054 6 初始温度() 1556 25 25 25 2. 边界条件的确定 关于边界条件，按凝固过程不同的冷却条件主要遇到铸件- 铸型边界和铸型-大气界面。铸件在凝固时体积逐渐收缩，铸型 受热膨胀。铸件、铸型之间存在气层，使铸件-铸型边界产生温 差。铸型-大气界面一般也要产生温差，砂型铸造时因砂型外表 面温度较低，一般只考虑自然对流换热。温度场界面参数如表 3- 3 所示： 表 3-3 温度场界面参数（j.cm -2.s-1. -1 ） 铸件 铸型 冒口套 冷铁 铸件 0.966 0.0042 0.336 铸型 0.966 0.0042 0.336 冒口套 0.0042 0.0042 0.0042 毕业设计(论文) 22 冷铁 0.336 0.336 0.0042 3. 临界固相线温度的确定 在铸件的凝固过程中，各个单元的凝固情况可以通过一个临 界固相率来判断其凝固的情况。在凝固开始时的铸件单元的固相 率为 0，当铸件单元完全凝固时的固相率是 1，在 cae 参数设定 时利用的是临界固相率概念。一般取铸件的临界固相率为 0.65， 与此固相率所对应的温度称为临界温度。临界温度指金属液失去 了流动性时的温度，一般取液、固相线温度差的 65%75%。本次 模拟临界固相线温度 ，得临界固相线温度值%70)(slstt 为 1475。由此可计算，当铸型内任何部位的金属液温度低于此 温度时，可认为铸件已经完全凝固。 4. 缩孔、缩松的判据 在华铸 软件中，对于缩松出现部位是用 判据（也称caegr 判据）进行判断，式中g为温度梯度，r为冷却速度。为了niyam 预测缩松，计算三维温度场中每一个节点相邻26个单元的g、r值， 取 最大值代表枝晶间补缩能力。当铸件单元的 值小于 某一临界值时，该单元可能出现缩松，所有可能出现缩松的单元 的集合就表示缩松的分布 16。对于中大型铸钢件，临界值在 2.03.0之间 17。 3.3.3 模拟结果显示与分析 后处理模块通过对凝固过程液相分布的时序动画，可以显现 凝固过程相变的细节，根据相变细节及相应的判据 18，可以得出 铸件缩孔缩松倾向及位置的判断，并为改进工艺提供依据，从而 达到改进工艺优化工艺的目的。 图3-3分别显示的是凝固阶段不同时刻的液相分布图（绿色 为固相，红色为液相） 。图3-3 a)是刚开始凝固0s的凝固状态,表 毕业设计(论文) 23 示钢液刚充满型腔。图3-3 b)可以看出铸件先从铸件小头端底部 和大头端开始凝固。图3-3 c)可以进一步看出铸件从小头端向大 头端凝固，并且可以看出大头端凝固缓慢。图3-3 d)可以看出铸 件脊梁处和底部已经出现孤立的液相区，这可能是由于补缩通道 不畅通造成的。从图3-3 e)、图3-3 f)可看出这种情况进一步加 剧，在筋板处可能出现大面积缩孔、缩松危险区，存在严重的缩 孔、缩松倾向。 a) 凝固时间为 0s b) 凝固时间为 3247s c) 凝固时间为 5187s d) 凝固时间为 6979s 毕业设计(论文) 24 e) 凝固时间为 7464s f) 凝 固时间为 10935s 3-3 原始工艺的凝固过程照片 3.4 挂舵臂铸造工艺优化 在上一章节中预测，筋板的根部相对于厚度均匀的流线型侧 面为热节部位。热节部位凝固时，树枝状晶体形成骨架时分隔其 了包围的液体部分，进而形成微观缩松，模拟结果证实了预测。 从模拟结果可以看出两块筋板处有孤立液相区存在，而铸件的大 小和形状决定了不便于增加冒口数量来进行补缩，所以考虑设置 冷铁，造成激冷的趋势，改变此处的温度梯度，从而实现和加强 铸件的顺序凝固。 在两块筋板下部分别设置外冷铁，厚度为40mm，最薄边缘处 20mm，边缘到中心倒角100250mm，为了操作方便，把冷铁切成 4000090000mm2大小的冷铁，分布间隙控制在10mm以内。冷铁的 形状和板筋相同。由于钢冷铁的蓄热能力大，可吸收较多的能量， 激冷能力强，故冷铁的材质和铸件一致。 毕业设计(论文) 25 a) 凝固时间为 0s b) 凝固时间为 3247s c) 凝固时间为 5187s d) 凝固时间为 6979s e) 凝固时间为 7464s f) 凝固时间为 10935s 图 3-4 优化工艺的凝固过程照片 图 3-4 为优化后工艺的模拟结果，通过与原始工艺各个时刻 的液相分布照片对比，可以明显看出在筋板下部设置外冷铁，相 毕业设计(论文) 26 当于在铸件中间增加了激冷端，使冷铁和冒口之间区域的温度梯 度、冒口补缩的末端区扩大，使铸件的凝固速度提高，大大减少 了缩孔、缩松缺陷产生。另外，从图中图 3-4 e)、f)中还可看到， 加设冷铁没有完全消除缩孔、缩松缺陷，今后还需进一步研究。 工艺优化后的凝固末期照片如图 3-5 所示，此时铸件薄壁处 （筒体）已经全部凝固。冒口内还有大量金属液存在，能够有效 的补缩铸件大舵轴孔、小舵轴孔及脊梁处等热节部位，可以实现 从铸件到冒口的顺序凝固。中信重型机械公司采用优化后的工艺 后，得到了没有缩孔、缩松缺陷的优质铸件，并且对铸件进行超 声波探伤和磁粉探伤，都满足外商的质检要求。 图 3-5 工艺优化后的凝固末期照片（凝固时间为 11759s） 毕业设计(论文) 27 第四章 挂舵臂铸钢件的实际生产 在挂舵臂的生产实践中，中信重机公司根据自身的生产条件， 合理选用造型材料，采用合理的熔炼工艺，控制钢液的成分和气 体含量，通过计算机工艺优化，合理设置浇口、冒口及冷铁，控 制铸件的顺序凝固和金属液的有效补缩，解决挂舵臂生产中产生 的缺陷问题，生产出符合商检和船级社验收的铸件。本章就计算 机工艺优化后的挂舵臂铸钢件铸造生产过程进行说明。 一、造型 1. 型砂选择 采用地坑组芯造型，砂芯面砂采用铬矿砂（黑色） ，如图4-1 所示。合理选用原砂，兼顾表面轮廓光洁度与解决清砂难问题, 即与钢液接触面采用耐高温砂，用薄薄一层，第二层要用天然石 英砂，第三层用一种高温下能自动分解，易溃散的低价人工砂， 即粉碎的石灰石碎粒，以便清砂工在近十米长的管腔中顺利清砂。 图 4-1 地坑造型 2. 造型方法 木模、芯盒采用计算机三维造型及数控加工，确保铸件各截 面尺寸准确，保证形状正确，对于特大木模关键断面采用计算机 11放样制作样板。铸件外型尽量用木模实样造型代替常用的组 芯造型，以减少零件的尺寸偏差或表面起伏。挂舵臂610m长的 毕业设计(论文) 28 筒腔，采用1个体积20多立方米的数十吨大芯来形成，最大的木 模实样（如图4-2所示），芯盒均达到10m长，4m多高，2m多宽。 工艺参数方面，缩尺设置最为关键，要根据铸件的具体结构，在 长、宽、高3个方向取不同的缩尺。 图 4-2 木模实样 二、熔炼 钢液的纯净度及浇注温度直接影响挂舵臂的质量。中信重机 公司经反复改进，确定的炼钢工艺为：碱性电弧炉初炼lf钢包 精炼包底吹氩、型腔吹氩多包钢液合浇。起包温度1540 1560，浇注温度为15301550。上述工艺措施可以提高钢 液质量，降低s、p等有害元素含量，减少钢中夹杂物与偏析，再 加上包底吹氩和型腔吹氩等工艺措施，避免钢液二次氧化，保证 钢液的流动性良好，减少显微缩松和裂纹缺陷 19。 三、合浇工艺 由于钢液需要量大，设计了多炉合浇工艺，即根据浇注时间， 合理测算每炉钢液量、提前冶炼的时间，达到同时浇注，有序补 浇的目的。采用低温快注和补浇冒口的方案，第一次浇注或合浇 时，低温浇注，补浇时，采用高温钢液。这样既可以避免因浇注 温度高而产生裂纹，又可以提高温度梯度，增强冒口的补缩能力。 四、清理与检测 就大型船用铸钢件的清理工艺，目前采用的流程是：型内保 温后期利用余热割除大冒口清砂正火热割浇冒口回火 毕业设计(论文) 29 打磨、修边、测机械性能划线、缺陷标记矫正变形、热清缺 陷打磨、复划线mt、ut清除缺陷并记录预热焊补焊后 回火质量复检 20船检交货。尺寸检查必须严格遵照标准。 大型船用铸钢件还要在铸件曲面上按图纸上所定的位置做出多条 水线标记及加工标记。 图 4-3 为挂舵臂飞边、毛刺清理现场。图 4-4 为挂舵臂内表 面开坡口的现场。图 4-5 是挂舵臂筒体底部形貌，外观整洁，可 看到舵臂的曲面外形。图 4-6 为轴孔外表面，图 4-7 是筒体局部 形貌，从图中观察到轴孔外表面和筒体部分组织非常致密，没有 缩孔缺陷。图 4-8 可以看出挂舵臂筒体与侧向伸出部分交接处 （脊梁处）也没有明显缺陷，表面较平整。 图4-3 清理毛边飞刺 图 4-4 开坡口 图4-5 挂舵臂筒体底部 图4-6 轴孔外表面 毕业设计(论文) 30 图4-7 筒体局部 图 4-8 交接处 五